随机电磁光束经像散透镜后磁场的光谱Stokes奇点

利用交叉谱密度函数的传输公式,以部分相干刃型位错光束为例,推导出随机电磁光束磁场通过像散透镜传输后的解析表达式.使用光谱Stokes参数,详细讨论了光谱Stokes场的奇点变化规律.结果表明,随机电磁光束磁场通过透镜后的传输过程中,存在光谱s12,s23和s31奇点.改变刃型位错的离轴量、斜率、空间相关长度等光束参数以及随着传输距离的变化,会有磁场光谱Stokes奇点的移动、产生和湮没,也会有V点的产生和C点旋向性的反转.此外,还与电场的光谱Stokes奇点做了比较.     

振幅比对矢量光束相干和非相干叠加合成Stokes奇点的影响

基于菲涅耳衍射积分方法、Stokes参量和复Stokes标量场,推导了两束单色傍轴矢量光束相干叠加和非相干叠加形成的合成Stokes奇点在自由空间传输时的表达式,研究了合成Stokes奇点在自由空间随振幅比变化的传输特性,同时分析了振幅比对合成Stokes奇点的偏振度的影响.结果表明:在自由空间传输时,合成Stokes奇点的数目、位置和奇点指数受振幅比影响.相干叠加场中,合成Stokes奇点的偏振度始终为1.在z=0面上,当振幅比η≠1时,C点、S23和S31奇点的奇点指数会发生反转;在z0面上,产生奇点指数加倍的S23奇点.非相干叠加场中,合成Stokes奇点的偏振度小于1且随振幅比发生变化.在z0面上,随振幅比η的改变,会产生不稳定的V点,V点会重新分裂为S23奇点和旋向性发生反转的C点;随振幅比η的进一步增加,S23奇点会湮灭.研究还发现,合成Stokes奇点的奇点指数之和守恒.     

部分相干圆刃型位错光束在生物组织中的偏振特性

以推导的在生物组织中部分相干圆刃型位错光束传输时的交叉谱密度矩阵元,研究了传输中不同光束参数(光束波长λ、位错数目n_dis、空间自相关长度σ_yy)对不同场点之间偏振特性的影响。部分相干圆刃型位错光束波长和位错数目不影响偏振态的初始值,而不同空间自相关长度的光束初始偏振态不同。随着传输距离增加,空间同一点的偏振态经历明显的起伏变化后最终趋于与源处一致,空间不同两点间的偏振态最终趋于一不同于初始值的定值。与远红外光和紫外光相比,可见光和近红外光更适合作为生物医学疾病诊疗的目标光束。位错数目越大,各偏振特征参量极值间距越大。空间自相关长度σ_yy与σ_xx的相对大小会影响偏振度的大小及变化趋势。     

经光阑衍射的平顶涡旋光束位相奇点的演化特性

推导出了平顶涡旋光束通过有光阑ABCD光学系统的传输解析式,并以光阑透镜和矩形光阑系统为例,与平顶光束比较研究了截断参量、相对离轴距离和光束阶数对衍射场中位相奇点演化特性的影响.数值计算表明,平顶涡旋光束通过上述光学系统均存在位相奇点,即使源处涡旋被光阑阻拦时,衍射场中也会出现位相奇点;而平顶光束通过光阑透镜系统存在刃型位错,随着截断参量增大,会发生刃型位错的演化和湮灭现象,且平顶光束通过矩形光阑系统没有发现位相奇点.     

部分相干圆刃型位错光束在生物组织中的动态演化

以广义惠更斯-菲涅耳原理为基础,利用推导的部分相干圆刃型位错光束在小鼠真皮组织传输中的交叉谱密度函数解析表达式,研究了光束初始参量(光束波长λ和圆刃型位错数目n)和传输距离z对光束归一化光强分布、相位演化和传输轨迹的影响。结果表明,位错数为n的部分相干圆刃型位错光束,源平面内中心光强最大,两侧对称分布着2n个次峰。随传输距离增加,光强分布由多峰状逐渐演化为单峰状,波长越长,n值越小,光强分布演化越快。位错数目越多,光束稳定性越好。源平面内n个圆刃型位错最内侧的环半径随位错数目增加而减小。受到生物组织湍流诱导和衍射效应的综合作用,自传输开始,圆刃型位错分裂为n对拓扑荷分别为"+1"和"-1"的相干涡旋。随传输距离增加,又新生n对拓扑荷为"+1"和"-1"的相干涡旋。波长越长,n值越大,光束相位演化越快,相干涡旋的位置分布由分散趋于集中,最终全部湮灭。相干涡旋对间距越小,湮灭越早。波长越长,位错数目越多,起始相干涡旋对越早开始湮灭,全部湮灭的传输距离越长;波长越短,位错数目越多,新生相干涡旋对越早开始湮灭,全部湮灭经历的传输距离越长。     

经光阑衍射的平顶涡旋光束位相奇点的演化特性

推导出了平顶涡旋光束通过有光阑ABCD光学系统的传输解析式,并以光阑透镜和矩形光阑系统为例,与平顶光束比较研究了截断参量、相对离轴距离和光束阶数对衍射场中位相奇点演化特性的影响.数值计算表明,平顶涡旋光束通过上述光学系统均存在位相奇点,即使源处涡旋被光阑阻拦时,衍射场中也会出现位相奇点;而平顶光束通过光阑透镜系统存在刃型位错,随着截断参量增大,会发生刃型位错的演化和湮灭现象,且平顶光束通过矩形光阑系统没有发现位相奇点.     

部分相干矩形阵列光束在自由空间中的谱移

根据广义惠更斯-菲涅尔衍射积分方法,推导出按矩形方式排布的部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的光谱传输公式,定量分析了部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在自由空间传输时轴上和离轴相对谱移的变化,并详细讨论了阵列参数和子光束的空间相干参数对相对谱移的影响。结果表明,部分相干高斯-谢尔模型阵列光束通过自由空间传输后,其相对谱移与光源处的谱密度、子光束的空间相干参数以及子光束数目和子光束间距等阵列参数有关,其中,阵列参数对相对谱移的影响非常显著。     

非均匀部分相干光束在自由空间中的传输

本文介绍了非均匀部分相干光束的概念, 并用数值模拟的方法详细研究了其在自由空间传输后的变化. 研究结果表明, 经过自由空间传输后非均匀部分相干光束会发生不同于传统相干模型光束的显著变化. 这种变化和光束传输距离、光源空间相干度分布、光源光强分布密切相关. 经过传输后, 源平面自相干附近点的空间相干度发生突变, 在短距离传输过程中源平面高相干区域的空间相干度会降低, 接收面各点的空间相干曲线不再相同, 随着传输距离增加, 非均匀空间相干度会逐渐趋于均匀.     

高斯涡旋光束在自由空间传输中电场和磁场的偏振奇点

利用矢量菲涅尔衍射积分公式, 以高斯涡旋光束为例, 推导出傍轴高斯涡旋光束在自由空间传输过程中电场分量和磁场分量的解析表达式, 详细研究了自由空间中电场和磁场的偏振奇点变化规律. 结果表明, 高斯涡旋光束在自由空间传输中, 存在二维和三维电场和磁场的偏振奇点, 其位置一般不重合. 改变光束束腰宽度比、 振幅比以及传输距离, 偏振奇点出现移动. 在二维电场和磁场中, 当满足一定条件时, 会有V点产生.     

有倾斜透镜存在时两个刃型位错的相互作用

对存在倾斜透镜时两个刃型位错的相互作用进行了研究.研究表明, 两个离轴刃型位错在一定条件下由于相互作用会消失, 并有一个或两个非正则光涡旋产生, 一个共轴刃型位错和一个离轴刃型位错相互作用时产生一个非正则光涡旋. 当初始场中两个刃型位错相互垂直或者平行时, 出射场中会有一个或者两个刃型位错出现. 改变透镜的倾斜因子不影响出射场中位相奇点的类型和数量, 但位相奇点的横向位置与倾斜因子有线性关系. 两个刃型位错相互作用产生的光涡旋对的三维轨迹是非线性的, 但光涡旋对的中心沿直线传输. 关键词： 位相奇点 刃型位错 非正则光涡旋 倾斜透镜     

Composite spectral Stokes singularities in coherent and incoherent superpositions of partially coherent nonparaxial vortex beams

Taking the partially coherent cosh-Gaussian (ChG) vortex beam as an illustrative example, the composite spectral Stokes singularities formed by coherent and incoherent superpositions of partially coherent vortex beams beyond the paraxial approximation are studied, where the effect of superposition scheme on composite spectral Stokes singularities is stressed. It is shown that there exist s₁₂ (C-points), s₂₃ and s₃₁ composite spectral Stokes singularities, which are variable by varying a control parameter, such as the spatial correlation length, waist width, off-axis distance, or decentered parameter, as well as the propagation distance. In particular, the number, position, degree of polarization of composite spectral Stokes singularities and the critical point at which the creation–annihilation process takes place depend on the superposition scheme. A comparison with the previous work is also made.     

Dynamic behavior of composite spectral Stokes singularities in?superimposed partially coherent beams beyond the paraxial approximation

The composite spectral Stokes singularities are introduced to describe polarization singularities in superimposed partially coherent beams beyond the paraxial approximation. Based on the vector Rayleigh–Sommerfeld diffraction integrals, the dynamic behavior of composite spectral Stokes singularities in the free-space propagation is studied and illustrated by numerical examples. A comparison with the previous work is also made.     

聚焦高斯涡旋光束焦区电场和磁场的偏振奇点

以高斯涡旋光束为例,研究了聚焦场中电场和磁场的偏振奇点变化规律.结果表明,高斯涡旋光束经透镜聚焦后,在焦区存在二维和三维电场和磁场的偏振奇点,其位置一般不重合.适当改变与焦面的距离以及光阑截断参数等出现圆偏振奇点的移动、产生和湮没.不同二维和三维电场和磁场圆偏振奇点湮没所对应的各参数临界值不同.在二维电场中,几何焦面上会有V点的产生.     

部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性

研究了部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性,偏振保持度作为衡量偏振传输效果的一个重要参数.结果表明:部分相干Airy光束在湍流大气中传输足够远时,其偏振度会变回到初始值;而在自由空间中传输,光束的偏振度会保持在某一个特定值;在湍流大气中,当光束传输距离不是很远时,光束对称轴上的偏振度分布为Airy函数,但是当传输足够远时,该偏振度分布逐渐趋向于类高斯状;光束的束腰半径越大,相干长度越长,越有利于光束传输后偏振的保持;存在一个指数截断因子,使得光束的偏振保持度很差.这些结论对于Airy光束在通信领域中的应用具有重要的意义.     

Propagation of spectral Stokes singularities of stochastic electromagnetic beams through atmospheric turbulence

The propagation of spectral Stokes singularities (vortices) of stochastic electromagnetic vortex beams through atmospheric turbulence is studied, where the electromagnetic Gaussian Schell-model (GSM) vortex beam is taken as an illustrative example. It is shown that the spectral Stokes vortices S ₁₂ (C-points), S ₂₃ and S ₃₁ introduced to describe the polarization singularities of stochastic electromagnetic beams appear in turbulence. The motion, creation, annihilation and polarization changes of S ₁₂, S ₂₃ and S ₃₁ vortices, as well as the handedness inversion of S ₁₂ vortices may appear as the propagation distance or one beam parameter varies. In the process the topological relationship holds true. In comparison with the free-space propagation, the variation of the refractive index structure constant C_n²C_{n}^{2} in atmospheric turbulence results in similar effects as above. The dependence of S ₁₂, S ₂₃ and S ₃₁ vortices on the propagation distance and beam and turbulence parameters are illustrated by numerical examples.     

Stokes parameters of optical singularities of random electromagnetic beams

In this paper,the relation between the spectral degree of coherence and degree of polarization of random electromagnetic beams is derived by the Stokes parameters.And the concept of polarization singularity is extended from spatially fully coherent beams to partially coherent electromagnetic beams.Theoretical analysis shows that correlation vortices are linearly polarized singularities.The results are illustrated by numerical examples.     

Dynamical evolution of Lissajous singularities in free-space propagation

The dynamic evolution of Lissajous singularities in free-space propagation is studied. It is shown that the pair creation and annihilation, handedness reversal and change in the degree of polarization of Lissajous singularities, as well as the rotation and change in the shape of Lissajous figures may appear upon propagation.     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯-谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顶光束的光谱跃变现象消失.     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯一谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顸光束的光谱跃变现象消失.     

Quantum polarization fluctuations of partially coherent dark hollow beams in non-Kolmogorov turbulence atmosphere

Non-classical polarization properties of dark hollow beams propagating through non-Kolmogorov turbulence are studied. The analytic equation for the polarization degree of the quantization partially coherent dark hollow beams is obtained.It is found that the polarization fluctuations of the quantization partially coherent dark hollow beams are dependent on the turbulence factors and beam parameters with the detection photon numbers. Furthermore, an investigation of the changes in the on-axis propagation point and off-axis propagation point shows that the polarization degree of the quantization partially coherent dark hollow beams presents oscillation for a short propagation distance and gradually returns to zero for a sufficiently long distance.